光纤压力及位移传感器特性的研究

1、光纤压力及位移传感器特性的研究nickirk【摘要】本实验是旨在测试LED光源I-P特性,光纤纤端光场径向分布,光纤纤端光场轴向分布,反射式光纤位移传感,微弯式光纤位移传感的实验。【关键词】光纤,光场分布,位移,反射式,I-P特性Abstract: In this experiment, we've studied the I-P characteristics of the LED illuminant, the distribution of the light field along the axial and radial direction at the end of the

2、 opticalfiber, and we have also studied the properties of the optical fiber when it is slightlybended.Keywords: optical fiber, distribution of light field, displacement, I-P properties.,引言术已经得到长足的发展和应用。光纤有许多独特的优良性能,如:可以低损耗的传光特性;频带宽,能同时传输大量信息;电绝缘性能好;不受电磁干扰等。此外,光纤本身也是一个敏感元件,即光在光纤出射事,光的特性得到光纤的调制,通过对调制光

3、的检测,我们就能得到外界的信息,从而构成各种光纤传感器。光在光纤内部传输过程中,受到外界因素(如温度、压力、磁场等的作用,导致光波的振幅、相位、偏振态等发生变化。因此,我们只需要测出这些参量随外界因素的变化关系,就可以用光纤作为传感元件来探测如温度,压力,磁场等物理量。这就是光纤传感器的工作原理。,实验原理本实验所用的光纤传感实验仪采用了强度型光纤传感的方式,这里分别讨论透射调制、反射调制和微弯调制的基本传感原理,并在纤端光场分布函数的基础上,建 立相应的理论分析方法。对于多模光纤来说,光纤端出射光场的场强分布由下式给出:式中为由光源耦合进入发送光纤中的光强;为纤端光场中位置处的光通量密度;为

4、一表征光纤折射率分布的相关参数,对于阶跃光纤;为光纤芯半径, 为与光源种类及光源跟光纤糯合情况有关的调制参数;c 为光纤的最大出射角。 如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时,所接收到的光 强可表示为:式中这里,S 为接收光面,即纤芯面。在纤端出射光场的远场区,为简便计,可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强,在这种近似下,得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为:I(,r zF(,r zs s=1 0a 1,透射调制方式最简单的透射式强度模拟调制光纤传感原理如图2所示。调制处的光纤端面为平面。通常入射光纤不动,而接收光纤可以作纵(横向位移。这样,接收光纤的

5、输出光强被其位移调制。透射型调制方式的分析较简单。在发送光纤端,其光场分布为一立体光锥,各点的光通量由函数来描写,其光场分布坐标如图所示。当接收光纤置于发送光纤纤端光场中时,所接收到的光强可近似地由给出。 当z 固定时,得到的是横向位移传感特性函数。而当r 取定值时(如r=0,则可得到纵向位移传感特性函数,如图2所示。 2.反射调制方式 由于反射调制式光纤传感器具有准确、简单、价格低廉等优点,对于传感器的广泛应用特具魅力。这种传感器通常由两根光纤组成,一根光纤把光传送到反射体,另一根光纤接收反射光并把光传到探测器。检测到的光强取决于反射体和探头之间的距离,如图3所示。 双纤式是最基本的反射调制

6、方法,其坐标分析系统如图 3 所示。在分析过程中,采用等效分析法。首先,画出接收光纤关于反射体的镜像。然后利用透射分析法,直接计算出该镜像接收光纤在发送光纤纤端光场中所接收到的光强值。最后,将该光强值乘以反射体的反射率R ,作为实际系统的等效结果。 图3所示的反射调制系统中,其接收光纤等效坐标位置为。这里,d 为发送光纤轴心到反射接收光纤轴心间的距离,将其代入式(4,并乘以反射率R 有3.微弯调制方式(,r z F (,Irz (2,F rz微弯损耗是由光纤的空间状态变化,导致光纤中的模间藕合所引起的。利用光纤传感实验仪所提供的微弯损耗调制器来产生一种受控损耗,可以精确地把光纤输出信号与引起光

7、纤微弯器件的位移联系起来。微弯型光纤传感器的原理结构如图 4 所示。当光纤发生弯曲时,由于其全反射条件被破坏,纤芯中传播的某些模式光束进入包层,造成纤芯中的光能损耗。为了扩大这种效应,我们把光纤夹持在一个周期波长为的梳妆结构中。当梳妆结构(变形器受力时,光纤的弯曲情况将发生变化,于是纤芯中跑到包层中的光能(即损耗也将发生变化。近似的把光纤看成是正弦弯曲,其弯曲函数为 式中 L 是光纤产生微弯的区域, 2 是其弯曲频率,为其弯曲波长。光纤由于弯曲产生的光能损耗系数是 式中 称为谐振频率。 为谐振波长,和为纤芯中两个模式的传播常数,当=c 时,这两个模式的光功率耦合特别紧,因而损耗也增大。如果我们

8、选择相邻的两个模式,对光纤折射率为平方律分布的多模光纤可得r 为光纤半径,为纤芯与包层之间的相对折射率差。由(3和(4可得 对通讯光纤 ,(2式表明损耗与弯曲幅度的平方成正比,与微弯区的长度成正比。通常,我们让光纤通过周期为的梳状结构来产生微弯。按(5式得到的一般太小,实用上可取奇数倍,即 3、5、7等,同样可得到较高灵敏度。 三,实验仪器介绍光纤传感实验仪是在光纤传感领域中的光纤透射技术,反射技术及微弯损耗技术等基本原理的基础上开发而成的,由光纤传感实验仪主机,LED 光源、发射光纤,PIN 光电探测器、接收光纤、三维微位移调节器、反射器。微弯变形器等组成的实验系统。如图I 所示。D 25r

9、 m m= 光纤传感实验仪包括四部分:1.光纤传感实验仪主机。其功能是:为LED 光源提供驱动电流;完成光电转换及放大作用,并输出电信号。2.三组光纤及探头:反射式发射光纤及探测接收光纤;透射式探测接收光纤;微弯式发射一接收光纤3.三维微位移调节器。用以固定光纤探头,实现微位移定量调节(精度为0.01mm。4.反射器和微弯变形器,配在三维微位移调节器上。四,实验过程LED光源I-P特性曲线测量1、将光源光纤卡在纵向微动调节架上,将探测光纤卡在横向微动调节架上,并使光纤探头间距调到约 1mm 左右;2、接通电源,将LED 驱动电流调到合适电流(如35mV ;3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观

10、察电压输出使之输出最大,此时可认为入射光纤和出射光纤已对准;4、将驱动电流调为0mV,记录输出电压,逐渐增加驱动电流(如每次增加2mA,并记录输出电压。直到驱动电流为12mA左右。5,作出I-U图。光纤纤端光场径向分布实验内容1、将光源光纤卡在纵向微动调节架上,将探测光纤卡在横向微动调节架上,并使光纤探头间距调到约 1mm 左右;2、接通电源,将LED 驱动电流调到指定电流(35mA ;3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大,此时可认为入射光纤和出射光纤已对准;4、调整纵向微动调节架,将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数,然后将纵向微动调节架向相

11、反的方向旋转 0.5mm (两光纤探头的间距停止;5、沿某一方向旋转横向微动调节架,直至输出电压为零,再向相反的方向旋转一点,记录螺旋测微器的读数,继续向该方向旋转,每转过 5 个小格记录电压输出值,直至电压再次变为零;6、将两光纤探头的间距调到 1.0mm,重复步骤5。光纤纤端光场轴向分布实验内容1、将光源光纤卡在纵向微动调节架上,将探测光纤卡在横向微动调节架上,并使两光纤探头间距调到约 1mm 左右;2、接通电源,将LED 驱动电流调到指定电流(如:40mA ;3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大,此时可认为入射光纤和出射光纤已对准;4、调整纵向微动调节架,将探测光

12、纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数,然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转,每转过5个小格记录电压输出值,直至输出电压变为零。反射式光纤位移传感实验内容1、将反射式光纤探头卡在纵向微动调节架上,对准反射器并使光纤探头与反射镜间距调到约 0.1mm 左右;2、接通电源,将LED 驱动电流调到指定电流;3、调整纵向微动调节架,将探测光纤推进到与反射镜表面即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数,然后停止;4、沿某纵向向远离反射镜的方向旋转微动调节架,每次调节0.1mm 并记录螺旋测微器的读数和电压输出值,直至 5mm ;5、在坐标纸上作出一条曲线。微弯式光纤位移传感器实验内容:1、将

13、光源光纤卡在纵向微动调节架上,将探测光纤卡在横向微动调节架上,并使两光纤探头间距调到约 1mm 左右;2、接通电源,将LED 驱动电流调到指定电流(如:40mA ;3、调整横向微动调节旋钮和光纤卡具并观察电压输出使之输出最大,此时可认为入射光纤和出射光纤已对准;4、调整纵向微动调节架,将探测光纤推进到与光源光纤即将接触的位置记录下螺旋测微器的读数,然后将纵向微动调节架向相反的方向旋转,每转过5个小格记录电压输出值,直至输出电压变为零。五,实验结果分析与讨论由于实验数据过多,在此就不展示原始数据了,仅仅将用软件Matlab 处理后的 结果展示。1, 测LED 光源I-P 特性曲线图由于P 实际上可以通过电压来表示,我们实际画出的是I-U 图 拟合的参数为 可知I-U 的线性性质是比较好的。2,光纤纤端光场径向分布我们将和放在一起对比。对数据采用了高斯函数拟合。如图所示:0.5z m m =1.0z m m =由图可知，光强在径向有个峰值，光强变化与高斯函数比较吻合。峰值的大